КОНТРОЛЬНЯ  РАБОТА 

   по  дисциплине «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭКОНОМИКЕ» 
 
 
 

   Тема: Геоинформационные системы (ГИС) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Кемерово, 2011 

Содержание 

Введение

     ХХI век… Объем информации, существующий в современном мире, не может сравниться с тем, который был получен в прошлых веках. Темпы жизни стремительно растут, методы получения информации приобретают все более индустриальный характер. Для организованного хранения, поиска нужной информации, ее обработки и анализа требуются современные, основанные на компьютерных технологиях, средствах.

     Законы, методы и способы накопления, обработки  и передачи информации с помощью компьютеров и иных технических устройств относятся к сфере общей информатики. На ее базе развиваются специальные направления: лесная информатика, медицинская информатика и т. д.

     Понятие информационная система (ИС) относится  не только к сфере компьютерных технологий. Существуют также некомпьютерные системы, работающие с информацией в аналоговой, а не в цифровой форме. 

     Упорядоченные массивы данных называют базами данных (БД). Они создаются с помощью  специальных программных комплексов, называемых системами управления базами данных (СУБД).

     Программные и технические средства, предназначенные  для обеспечения доступа к  информационным ресурсам – ввода  информации, ее хранения, преобразования, реализации различных запросов, представления  информации, называют информационно-поисковыми системами (ИПС).

     Для работы с пространственно распределенной информацией используют ИС особого  рода, называемые географическими информационными  системами (геоинформационными системами  или сокращенно ГИС). 
 

Глава 1.  Геоинформатика и географические информационные системы (ГИС)

1.1. Информатизация общества

Информатизация  коснулась сегодня всех сторон жизни  общества, и трудно, пожалуй, назвать  какую-либо сферу человеческой деятельности - от начального школьного образования до высокой государственной политики, - где не ощущалось бы ее мощное воздействие. Информатика дышит в затылок всем наукам, догоняя и увлекая их за собой, преобразуя, а порой и порабощая в стремлении к бесконечному компьютерному совершенству.

В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы (ГИС), причем слово "географические" обозначает в  данном случае не столько "пространственность" или "территориальность", а скорее комплексность и системность исследовательского похода.

Первые  ГИС были созданы в Канаде и  США в середине 60-х годов, а  сейчас в промышленно развитых странах  существуют тысячи ГИС, используемых в  экономике, политике, экологии, управлении ресурсами и охране природы, кадастре, науке и образовании. ГИС охватывают все пространственные уровни: глобальный, региональный, национальный, локальный, муниципальный, интегрируя разнообразную информацию о нашей планете: картографическую, данные дистанционного зондирования, статистику и переписи, кадастровые сведения, гидрометеорологические данные, материалы полевых экспедиционных наблюдений, результаты бурения и подводного зондирования.

В создании ГИС участвуют международные  организации (Организация объединенных наций, Программа по окружающей среде, Продовольственная программа), правительственные учреждения, министерства и ведомства, картографические, геологические и земельные службы, статистические управления, частные фирмы, научно-исследовательские институты и университеты. На разработку ГИС ассигнуют значительные финансовые средства, в деле участвуют целые отрасли промышленности, создается разветвленная геоинформационная инфраструктура, сопряженная с телекоммуникационными сетями.

Во многих странах образованы национальные и региональные органы, в задачи которых входит развитие ГИС и автоматизированного картографирования, формирование государственной политики в области геоинформатики, национального планирования, сбора и распространения информации, включая и исследование правовых проблем, связанных с владением и передачей географической информации, с ее защитой. Федеральная программа России предусматривает создание цифровых и электронных карт масштабов 1 : 10 000 - 1 : 1 000 000 и банков данных для этих карт, разработку ГИС различного ранга и назначения (для органов государственного управления, для демаркации границ России, региональных ГИС по Северу, Байкалу, муниципальных, территориальных и отраслевых ГИС.[1]

В Москве сформирован первый Российский научно-производственный центр геоинформации (Росгеоинформ). Одновременно развернуты региональные производственные центры в Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Иркутске и Хабаровске. При создании разветвленной ГИС-инфраструктуры к этим центрам предполагается привязать местные и отраслевые ГИС разной проблемной ориентации, а также центры сбора и обработки аэрокосмической информации. В сеть ГИС России обязательно должны быть включены научные и научно-производственные базы и банки тематических данных, существующие в институтах Академии наук, вузах, отраслевых учреждениях и ведомствах.

Сущность  ГИС состоит в том, что она  позволяет так или иначе собирать данные, создавать базы данных, вводить  их в компьютерные системы, хранить, обрабатывать, преобразовывать и  выдавать по запросу пользователя чаще всего в картографической форме, а также в виде таблиц, графиков, текстов.

Повсеместность  использования ГИС привела к  многообразию толкований самого понятия. В научной литературе бытуют десятки  определений ГИС, в них отмечается, что ГИС - это аппаратно-программный и одновременно человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества. Такая несколько тяжеловесная дефиниция верно отражает многие свойства ГИС, используемых в географии, геологии, экологии и других отраслях знания, но все же не является исчерпывающей. Попытка охватить в определении все функциональные, технологические и прикладные свойства ГИС неизбежно оборачивается неполнотой. Можно предложить несколько других толкований, характеризующих разные аспекты ГИС.

С научной  точки зрения ГИС - это средство моделирования  и познания природных и социально-экономических  систем. ГИС применяется для исследования всех тех природных, общественных и  природно-общественных объектов и явлений, которые изучают науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки, а также картография, дистанционное зондирование. В технологическом аспекте ГИС (ГИС-технология) предстает как средство сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной географической (геологической, экологической) информации. И наконец, с производственной точки зрения ГИС является комплексом аппаратных устройств и программных продуктов (ГИС-оболочек), предназначенных для обеспечения управления и принятия решений, причем важнейший элемент этого комплекса - автоматические картографические системы. Таким образом, ГИС может одновременно рассматриваться как инструмент научного исследования, технология и продукт ГИС-индустрии. Это достаточно типичная ситуация на современном уровне научно-технического прогресса, характеризующегося интеграцией науки и производства.

1.2. Основополагающие  понятия и термины

Геоинформационные технологии – бурно развивающееся направление современных информационных технологий. По этой причине пока нельзя говорить о существовании общепринятой терминологии в этой отрасли знаний. Достаточно привести многочисленные определения ГИС, предложенные разными авторами, чтобы понять, насколько еще молода эта сфера деятельности.

Итак: ГИС – это “внутренне позиционированная автоматизированная пространственная информационная система, создаваемая для управления данными, их картографического отображения и анализа”. (Berry J.)

Хочу  отметить, что данное определение не совсем полное, поскольку не учитывает человека, как элемент информационной системы. Человек в любой информационной системе занимает важное место – это и наблюдатель, и эксперт, и аналитик. Очень часто исследователи в области геоинформатики для акцентирования роли человека в ГИС используют словосочетание “человеко-машинный комплекс”.

ГИС –  это “аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества". (Кошкарев А.В.)

ГИС –  это “система, состоящая из людей, а также технических и организационных  средств, которые осуществляют сбор, передачу, ввод и обработку данных с целью выработки информации, удобной для дальнейшего использования в географическом исследовании и для ее практического применения”. (Konecny M.)

ГИС –  это “комплекс аппаратно-программных  средств и деятельности человека по хранению, манипулированию и отображению географических (пространственно соотнесенных) данных”. (AblerR.)

ГИС –  это “динамически организованное множество  данных динамическая база данных или банк данных), соединенное с множеством моделей, реализованных на ЭВМ для расчетных, графических и картографических преобразований этих данных в пространственную информацию в целях удовлетворения специфических потребностей определенных пользователей в пределах структуры точно определенных концепций и технологий”. (Degani A.)

ГИС –  это: "система, включающая базу данных, аппаратуру, специализированное матобеспечение и пакеты программ, предназначенных для расширения базы данных, для манипулирования данными, их визуализации в виде карт или таблиц и, в конечном итоге, для принятия решений о том или ином варианте хозяйственной деятельности". (Lillesand T.)

ГИС –  это: "реализованное с помощью автоматических средств (ЭВМ) хранилище системы знаний о территориальном аспекте взаимодействия природы и общества, а также программного обеспечения, моделирующего функции поиска, ввода, моделирования и др." (Трофимов А.М., Панасюк М.В.)

ГИС –  это интегрированная компьютерная система, находящаяся под управлением  специалистов-аналитиков, которая осуществляет сбор, хранение, манипулирование, анализ, моделирование и отображение пространственно соотнесенных данных (см. рис.1). [1]

Рис. 1. Схема геоинформационной системы. 

Как видно, определений ГИС много, но каждое из них является верным. Отличие их лишь в широте охвата рассматриваемой проблемы.

Чтение  карты – восприятие карты (визуальное, тактильное или автоматическое), основанное на распознавании картографических образов, истолковании и понимании ее содержания. Эффективность чтения карты зависит от читаемости карты, т.е. от легкости и быстроты восприятия отдельных обозначений, картографических образов и всего изображения в целом. В свою очередь, читаемость определяется наглядностью условных знаков, качеством оформления карты, общей загруженностью карты, различимостью деталей изображения.

Цифровая  карта – цифровая модель поверхности, сформированная с учетом законов картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системе координат и высот. По сути, термин “цифровая карта” означает именно цифровую модель, цифровые картографические данные. Цифровая карта создается с полным соблюдением нормативов и правил картографирования, точности карт, генерализации, системы условных обозначений. Цифровая карта служит основой для изготовления обычных бумажных, компьютерных, электронных карт, она входит в состав картографической базы данных, является одним из важнейших элементов информационного обеспечения ГИС и одновременно может быть результатом функционирования ГИС.

Компьютерная  карта – карта, полученная на устройстве графического вывода с помощью средств автоматизированного картографирования (графопостроителей, принтеров, дигитайзеров и др. на бумаге, пластике, фотопленке и иных материалах) или с помощью геоинформационной системы.

Иногда  к компьютерной карте относят  также карты, изготовленные на неспециализированных приборах, например, на алфавитно-цифровых печатных устройствах, так называемые ЭВМ-карты или АЦ-ПУ-карты.

ГИС-технологии – технологическая основа создания географических информационных систем, позволяющая реализовать их функциональные возможности.

Геоинформационный анализ – анализ размещения, структуры, взаимосвязей объектов и явлений с использованием методов пространственного анализа и геомоделирования.

Функциональные  возможности ГИС – набор функций  географических информационных систем и соответствующих программных  средств:

• ввод данных в машинную среду путем  импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью оцифровки источников;

• преобразование данных, включая конвертирование  данных из одного формата в другой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;

• хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;

• картометрические операции;

• средства персональных настроек пользователей.

Геоинформатика  – наука, технология и производственная деятельность:

• по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем;

• по разработке геоинформационных технологий;

• по прикладным аспектам или приложениям ГИС  для практических или геонаучных целей.

Геоматика — это совокупность применений информационных технологий, мультимедиа и средств телекоммуникации для обработки данных, анализа геосистем, автоматизированного картографирования; также этот термин употребляется как синоним геоинформатики или геоинформационного картографирования.

Цифровое  покрытие (слой, тема) – семейство однотипных (одной мерности) пространственных объектов, относящихся к одному классу объектов в пределах некоторой территории и в системе координат, общих для набора слоев. По типу объектов различают точечные, линейные и полигональные цифровые покрытия.

Пространственный  объект (графический примитив) –  цифровое представление объекта реальности (цифровая модель местности), содержащее его местоуказание и набор свойств, характеристик, атрибутов или сам этот объект. Выделяют четыре основных типа пространственных объектов:

(1) точечные, (2) линейные, (3) площадные (полигональные), контурные и (4)поверхности.

1.3. История развития  ГИС

История ГИС берет своё начало с конца  пятидесятых годов прошлого столетия. За шестьдесят лет пройдено несколько этапов, позволивших создать самостоятельно функционирующую сферу – сферу геоинформационных технологий. Основные достижения в геоинформационной картографии были, к сожалению, получены в США, Канаде и Европе, а не в России. Россия и бывший СССР не участвовали в мировом процессе создания и развития геоинформационных технологий вплоть до середины 1980-х годов. Тем не менее, наша страна имеет свой, пусть небольшой, опыт развития геоинформационных систем и технологий.

В истории  развития геоинформационных систем выделяют четыре периода: 

Новаторский (пионерский) период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.)

• исследование принципиальных возможностей информационных систем, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического  опыта, первые крупные проекты и  теоретические работы. 

Период  государственного влияния (ранние 1970е - ранние 1980е гг.)

• развитие крупных геоинформационных проектов, финансируемых государством, формирование государственных институтов в области  геоинформатики, снижение роли и влияния  отдельных исследователей и небольших групп.

Период  коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время)

• широкий  рынок разнообразных программных  средств, развитие настольных инструментальных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами атрибутивных данных, создание сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, организация систем, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах и поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных. 

Период  потребления (поздние 1980е - настоящее время)

• повышенная конкурентная борьба среди коммерческих производителей геоинформационных технологий и услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и “открытость” программных средств позволяет пользователям самим настраивать, адаптировать, использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских “клубов”, телеконференций,

территориально  разобщенных, но связанных единой тематикой  пользовательских групп, возросшая  потребность в географических данных, начало формирования геоинформационной инфраструктуры планетарного масштаба.

Хотелось  бы несколько слов сказать об организациях, проектах и исследователях, сыгравших ключевую роль в развитии ГИС.

В конце 60-х Бюро переписи США разработало формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). В этом формате впервые была реализована схема определения пространственных отношений между объектами, называемая топологией, которая описывает, как линейные объекты на карте взаимосвязаны между собой, какие площадные объекты граничат друг с другом, а какие объекты состоят из соседствующих элементов. Впервые были пронумерованы узловые точки, впервые были присвоены идентификаторы площадям по разные стороны линий. Это было революционное нововведение. Формат GBF-DIME позже трансформировался в TIGER. Важными лицами этого

процесса  явились математик Джеймс Корбетт (James Corbett), программисты Дональд Кук (Donald Cooke) и Максфилд (Maxfield). Карты в формате GBF-DIME в течение 70х годов были сформированы для всех городов Соединенных Штатов. Эту технологию по сегодняшний день использует множество современных ГИС. Многие важные идеи, касающиеся ГИС, возникли в стенах Лаборатории компьютерной графики и пространственного анализа Гарварда. Из этой лаборатории вышло несколько ключевых фигур ГИС индустрии: это Говард Фишер (Howard Fisher) – основатель лаборатории и программист Дана Томлин (Dana Tomlin), заложившая основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP. Наиболее известными и хорошо зарекомендовавшими себя программными продуктами Гарвардской лаборатории являются:

• SYMAP (система  многоцелевого картографирования);

• CALFORM (программа вывода картографического изображения на плоттер);

• SYMVU (просмотр перспективных (трехмерных) изображений);

• ODYSSEY (предшественник знаменитого ARC/INFO).

Большое влияние на развитие ГИС-технологий оказали теоретические разработки в области географии и пространственных взаимоотношений, а также в развитие количественных методов в географии в США, Канаде, Франции, Англии, Швеции (работы У.Гаррисона (William Garrison), Т.Хагерстранда (Torsten Hagerstrand), Г.Маккарти (Harold McCarty), Я.Макхарга (Ian McHarg).

В завершении этого краткого экскурса в историю  ГИС отметим старейшие компании, основанные в 1969 году, которые являются и по сей день крупнейшими разработчиками ГИС – это ESRI и Intergraph. Эти две компании являются производителями самых популярных в США и в мире геоинформационных систем – так, вдвоем они производят ровно половину ГИС, используемых в США. Начиная с 90-х гг. прошлого столетия, эти фирмы активно осваивают российский рынок ГИС.

1.4. Сферы и уровни использования ГИС

ГИС используются для решения разнообразных задач, основные их которых можно сгруппировать следующим образом:

• поиск и рациональное использование природных ресурсов;
• территориальное и отраслевое планирование и управление размещением промышленности, транспорта, сельского хозяйства, энергетики, финансов;
• обеспечение комплексного и отраслевого кадастра;
• мониторинг экологических ситуаций и опасных природных явлений, оценка техногенных воздействий на среду и их последствий, обеспечение экологической безопасности страны и регионов, экологическая экспертиза;
• контроль условий жизни населения, здравоохранение и рекреация, социальное обслуживание, обеспеченность работой и др.;
• обеспечение деятельности органов законодательной и исполнительной власти, политических партий, движений, средств массовой информации;
• обеспечение деятельности правоохранительных органов и силовых структур;
• научные исследования и образование;
• картографирование (комплексное и отраслевое): создание тематических карт и атласов, обновление карт, оперативное картографирование.

Разнообразие сфер использования ГИС порождает множественность их видов и типов, разнящихся по тематике, пространственному охвату, назначению. Принято различать следующие территориальные уровни ГИС и соответствующие им масштабы.

1.5. Классификация ГИС

ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.

Множество задач, возникающих в жизни, привело  к созданию различных ГИС, которые  могут классифицироваться по следующим  признакам:

      По  функциональным возможностям:

- полнофункциональные  ГИС общего назначения;

- специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

- информационно-справочные  системы для домашнего и информационно-справочного  пользования.

Функциональные  возможности ГИС определяются также  архитектурным принципом их построения:

- закрытые  системы - не имеют возможностей  расширения, они способны выполнять  только тот набор функций, который  однозначно определен на момент  покупки.

- открытые  системы отличаются легкостью  приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По  пространственному (территориальному) охвату:

- глобальные (планетарные);

- общенациональные;

- региональные;

- локальные  (в том числе муниципальные).

По  проблемно-тематической ориентации:

- общегеографические;

- экологические  и природопользовательские;

- отраслевые (водных ресурсов, лесопользования,  геологические, туризма и т.д.);

По  способу организации  географических данных:

- векторные;

- растровые;

- векторно-растровые  ГИС.

1.6. Составные части ГИС

Работающая  ГИС включает в себя пять ключевых составляющих:

- аппаратные средства

- программное обеспечение

- данные

- исполнители

- методы

Аппаратные  средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (ГИП) для легкого доступа к инструментам.